抗震多高层结构抗震策略学

摘要：本文对几种常用的抗震分析方法进行比较，应用于多高层结构的抗震分析方法中，静力弹塑性分析和弹塑性时程分析方法比一般常用分析方法能够提供更合理、更符合实际的结果，并提出静力弹塑性分析方法存在的问题。
关键词：多高层结构；抗震分析方法；静力弹塑性分析法

随着经济与社会的发展，多高层建筑已经逐渐成为当前时代建筑发展的主流方向，建筑物的造型和结构体型日趋复杂化。震害对于多高层建筑的威胁越来越严重，对其进行的抗震分析也越来越成为目前国内外建筑科研热点问题。

1 现有常用的抗震分析方法

1.1 底部剪力法

底部剪力法它适用于高度不超过40m，结构以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构。此时检测设地震作用下建筑将以基本振型为主，且结构的基本振型近似为一条斜直线。通过这两种检测设，我们可近似的算出地震作用下建筑各层的地震水平力之和，即“底部剪力”。此方法简单，但因忽略了高阶振型的影响而且对结构的基本振型也作了简化，因此计算精度较差。

1.2 振型分解反应谱法

振型分解反应谱法根据振型叠加原理，将多个振型的综合作用分解为一系列单个振型的叠加，分别计算各个振型的水平地震作用，求其结构内力，最后将各振型的内力进行组合，得到地震作用下的结构内力和变形。此法计算量稍大，但计算精度较高，计算误差主要来自振型组合时关于地震动随机特性的检测定。

1.3 时程分析法

时程分析法是对结构物的运动微分方程直接进行逐步积分求解的一种动力分析方法。由时程分析可得到各质点随时间变化的位移、速度和加速度动力反应，并进而可计算出构件内力的时程变化关系，可以准确而完整的反映结构在强烈地震作用下反应的全过程状况。时程分析法是改善结构抗震能力和提高抗震设计水平的一项重要措施。《抗震规范》规定，重要的工程结构，例如：大跨桥梁，特别不规则建筑、甲类建筑，高度超出规定范围的高层建筑应采用时程分析法进行补充计算。但时程分析法计算的是某一确定的地震动的时程反应，不能反应不同地震动时程记录的随机性，应用时需要对多条地震记录进行分析。

1.4结构弹塑性分析方法

结构弹塑性分析方法有弹塑性时程分析和静力弹塑性分析两大类。

1.4.1 弹塑性时程分析

弹塑性时程分析能比较准确而完整的得出结构在罕遇地震下的反应全过程，但计算过程中需要反复迭代，数据量大，分析工作繁琐，且计算结果受到所选用地震波及构件恢复力和屈服模型的影响较大，一般只在设计重要结构或高层建筑结构时采用。

1.4.2 静力弹塑性分析

静力弹塑性分析方法是对结构计算模型上施加按某种规则分布的水平单调递增荷载，直至目标位移或结构呈现不稳定的发散状态为止，使结构呈现弹塑性的特性，从而判定结构及其构件的变形受力是否满足设计要求。
结构弹塑性分析方法优点突出体现在较底部剪力法和振型分解反应谱法，它考虑了结构的弹塑性特性；较时程分析法，其输入数据简单，工作量较小。通过引入地震反应谱可使结构在基于一定的性能水准上，合理满足不同的抗震需求。

2 多高层结构抗震分析方法

2.1 模型分析方法

多高层建筑结构中构件数量大且结构复杂，无法采用连续体单元进行建模和分析，需采用合理的结构模型以及构件单元模型，对受力进行必要简化。目前，已有的结构分析模型包括层模型、构件-层模型以及非线性结构单元分析模型三种。

2.2 弹塑性分析方法

随着建筑结构不断增高，结构体系和构造日益复杂，弹塑性分析的方法也就显得越来越重要。历史上多次较大的震害也证明了结构弹塑性分析的必要性。

2.1弹塑性时程分析方法

结构弹塑性时程分析方法同时考虑地面震动的主要特性（主要是幅值、频率、持时三要素）以及结构的动力弹塑性特性，被认为是到目前为止进行抗震变形验算和震害分析最为精确可靠的方法。通过动力弹塑性分析，可以计算出在地震波输入时段内结构地震响应的全过程，得到每一时刻结构的位移、速度、加速度以及构件的变形和内力。借助这些分析结果，可以研究构件屈服次序和结构的破坏过程，便于设计者对结构在大震下的性能进行直观评价。
目前常用的计算模型有：等效剪切型弹塑性时程分析模型、平面杆系弹塑性时程分析模型以及空间杆系弹塑性时程分析模型等。到目前为止空间杆系结构弹塑性时程分析方法是结构非线性地震反应分析中最可靠的方法。

2.2 静力弹塑性分析方法

静力弹塑性分析并不是一种新的方法，但由于其能提供结构在侧向力作用下的能力或性能数据，符合当前正在研究发展的基于性能抗震设计的需要，因此该方法在近年得到普遍重视和广泛研究。我国的GB 50011-2001建筑抗震设计规范和JGJ 3-200高层建筑混凝土结构技术规程规定，对于不规则且具有明显薄弱部位可能导致地震时破坏的建筑结构以及较高的和较复杂的高层建筑结构，宜采用弹塑性静力或动力分析方法验算薄弱层弹塑性变形。
目前，国内外对于静力弹塑性分析研究的重点主要包括如下几个方面:
(1)水平加载方式
静力弹塑性分析采用的水平加载方式通常有倒三角分布方式、均匀分布方式、抛物线分布方式等。一般的静力弹塑性分析忽略了高阶振型的影响，对于高阶振型在地震反应中所占比例较大的结构，分析得到结构的反应，与动力时程分析所得的差别较大。采用自适应的水平加载方式来考虑非线性的影响，水平力的分布在

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加载过程中随着结构的动力特性的改变而变化。
(2)目标位移的确定
结构目标位移指结构在地震过程中可能达到的最大顶点位移。如果结构在相应地震水准的侧向力作用下达到屈服位移，则认为其不能抵抗相应烈度的地震作用。目标位移的计算方法有两种：一种方法为：检测定结构沿高度的变形向量（一般取第一振型），利用分析得到的底部剪力一顶点位移曲线，将结构等效为SDOF体系，然后用弹塑性时程分析法计算等效SDOF体系的最大位移，从而计算出结构的目标位移。另一方法是采用弹塑性反应谱来计算等效SDOF体系的最大位移。
(3) 与真实动力荷载作用的差别
静力弹塑性分析得到的仅仅是结构在某种特定分布形式的水平力作用下的结构响应，并不能全面反映结构在实际地震作用下的实际性能。研究表明，对于规则结构可以较准确地反映结构的非线性地震反应特征，不失为一种可行的简化分析方法，但是对于复杂结构体系则会有较大的误差。
3 结语
多高层结构的抗震分析方法中，弹塑性时程分析方法和静力弹塑性分析方法比一般常用的底部剪力法以及振型分解反应谱抗震分析方法能够提供更合理、更符合实际的结果。
静力弹塑性方法能够得到结构在地震作用下由弹性阶段到破坏的全过程性能变化，与其他传统的抗震分析方法相比，进行一次非线性分析即可获得完备的结构信息；在获取能力曲线的基础上，借助其他不同方法可以确定任意地震水准下的结构状态，对于基于性能的结构抗震评定是简便而实用的。静力弹塑性分析方法是目前最为实用的基于性能的结构抗震评定分析方法。
但静力弹塑性分析方法仍有如下问题：
(1)对建筑物进行静力弹塑性分析时首先要确定一个合理的目标位移和水平加载方式，其分析结果的精确度很大程度上依赖于这两者的选择。
(2) 只能从整体上考察结构的性能，不能全面考察结构中所有构件的性能。未考虑结构在反复加载过程中损伤的累积及刚度的变化，不能完全真实反应结构在地震作用下性状。
(3)高阶振型的影响、能力谱法中需求谱的计算方法、桩-土-结构相互作用等方面还待完善。
参考文献：
吕西林. 高层建筑结构[M]. 武汉:武汉理工大学出版社,2003.
张新庆. 常用的抗震分析方法[J].Constructor Magazine, July 2008:46
[3] 王朝波. 既有多高层钢框架抗震鉴定指标体系及分析方法研究. 同济大学土木工程学院,博士学位论文,2007
[4] 杨志勇, 黄吉锋, 邵弘. 弹性、弹塑性动力时程分析方法中若干问题探讨. 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文, 2008
[5] 肖丽娜. 浅谈建筑结构的抗震设计方法[J]. 民营科技, 2011, 5:344
[6] 方霜. 基于位移的框架结构抗震设计方法[J]. 山西建筑, 2010,33(11):65-66
[7] 赵琦, 桑晓艳. 静力弹塑性分析(Push- over Analysis)方法的研究 [J]. 陕西建筑, 2009, 165(3):14-17
[8] 程远兵, 杨超. 抗震结构静力弹塑性分析的方法及步骤[J]. 山西建筑, 2009,6(2): 65-66
[9] 李伟, 李浩, 赵建昌. 静力弹塑性分析(Push- over)方法在RC框架结构抗震能力分析中的应用 [J]. 甘肃科技, 2005, 5(5):128-130
[10] 尚晓江. 高层建筑混合结构弹塑性分析方法及抗震性能的研究. 中国建筑科学研究院,博士学位论文,2008